DE69327329T2 - LOW FRICTION MAGNETIC SWITCH AND VALVE - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft magnetisch betätigte Ventile, die den Strom eines Fluids durch diese hindurch steuern. Die Erfindung betrifft insbesondere eine magnetische Stellvorrichtung für ein Ventil, die geringere Reibung aufweist und für eine genaue Positionierung des Fluidsteuerelements des Ventils sorgt.The invention relates to magnetically actuated valves which control the flow of a fluid therethrough. In particular, the invention relates to a magnetic actuator for a valve which has lower friction and provides for accurate positioning of the fluid control element of the valve.
Bei magnetischen Stellvorrichtungen nach dem Stand der Technik, die zur Steuerung des Fluidstroms durch ein Ventil hindurch verwendet werden, gibt es typischerweise zwei verschiedene Arten. Die am häufigsten verwendete Art ist eine Zweipunktstellvorrichtung mit einem Kolbenelement, das sich zwischen zwei Positionen bewegt. Der Kolben befindet sich in einer ersten Position, wenn kein Strom durch die Spule der Stellvorrichtung fließt. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, wird das Kolbenelement durch elektromagnetische Kraft in eine zweite Position bewegt. Wenn der Stromfluß gestoppt wird, wird der Kolben von einer Feder in seine ursprüngliche Position zurückgeführt. Solche "Ein-Aus"- Stellvorrichtungen werden gewöhnlich bei Zweistellungsventilen zur Steuerung eines Fluidstroms verwendet.State of the art magnetic actuators used to control fluid flow through a valve are typically of two different types. The most commonly used type is a two-position actuator with a piston element that moves between two positions. The piston is in a first position when no current is flowing through the actuator's coil. When an electrical current is flowing through the coil, the piston element is moved to a second position by electromagnetic force. When the current flow is stopped, the piston is returned to its original position by a spring. Such "on-off" actuators are commonly used with two-position valves to control fluid flow.
Eine zweite Art einer magnetischen Stellvorrichtung wird bei Proportionalventilen verwendet. Diese Stellvorrichtungen umfassen einen Kolben oder eine andere Art eines beweglichen Elements auf, das je nach den Steuersignalen, die an die Spule der Stellvorrichtung abgesetzt werden, wahlweise durch einen Bereich von Positionen bewegt werden kann. Proportionalstellvorrichtungen werden bei Ventilen verwendet, die die Durchsatzmenge dosieren.A second type of magnetic actuator is used in proportional valves. These actuators include a piston or other type of moving element that can be selectively moved through a range of positions depending on the control signals sent to the actuator's coil. Proportional actuators are used in valves that meter the flow rate.
Bei beiden Arten von magnetischen Stellvorrichtungen nach dem Stand der Technik gibt es gewisse Probleme. Die in den Stellvorrichtungen verwendeten Kolbenelemente müssen sich in einem rohrförmigen Gehäuse bewegen. Die Magnetkräfte, die das Kolbenelement in der gewünschten Axialrichtung bewegen, erzeugen auch seitliche Kräfte. Diese Kräfte neigen dazu, den Kolben gegen die Wände des Gehäuses zu drücken, und dadurch nimmt die Reibung zu. Durch diesen Reibungswiderstand nimmt der Betrag der Kraft zu, die zum Bewegen des Kolbenelements erforderlich ist, und dementsprechend muß die Spule mehr Energie erzeugen, um den Kolben zu bewegen.There are certain problems with both types of prior art magnetic actuators. The piston elements used in the actuators must move within a tubular housing. The magnetic forces that move the piston element in the desired axial direction also generate lateral forces. These forces tend to push the piston against the walls of the housing and thereby increase friction. This frictional resistance increases the amount of force required to move the piston element and accordingly the coil must generate more energy to move the piston.
Ein weiteres Problem bei den Stellvorrichtungen nachdem Stand der Technik ist, daß die Reibungskräfte an dem Kolbenelement die genaue Positionierung des Kolbenelements und der den Strom steuernden Elemente in dem Ventil beeinträchtigen, mit dem das Kolbenelement verbunden ist. Das ist insbesondere ein Problem bei Proportionalstellvorrichtungen, die eine Hysterese aufweisen. Die Reibungskräfte schränken die Fähigkeit des Kolbenelements ein, sich als Reaktion auf identische Steuersignale zu der gleichen Stelle zu bewegen.Another problem with the prior art actuators is that the frictional forces on the piston element affect the accurate positioning of the piston element and the flow controlling elements in the valve to which the piston element is connected. This is particularly a problem with proportional actuators that have hysteresis. The frictional forces limit the ability of the piston element to move to the same location in response to identical control signals.
Bei Magnetventilen nach dem Stand der Technik wird ein als .Zitternlassen" bezeichnetes Verfahren verwendet, um das Kolbenelement leicht in Schwingung zu versetzen und die Reibung zu vermindern. Jedoch bestehen die durch Reibung entstehenden Probleme weiter. Bei anderen werden kugellagerartige Halterungen für das Kolbenelement verwendet, um auf diese Weise die Reibung zu vermindern, wie zum Beispiel die in dem US-Patent Nr. 4,525,695 dargestellten Halterungen. Diese Vorgehensweise ist zwar hilfreich, doch entsteht durch die Konstruktion der Halterungen immer noch ein unerwünschtes Maß an Reibung. Das trifft insbesondere deshalb zu, weil das bewegliche Element trotz des Vorhandenseins der kugellagerartigen Halterungen an einer Stelle an jedem Kugellager einer Gleitreibung unterworfen ist.Prior art solenoid valves use a technique called "dithering" to slightly vibrate the piston member and reduce friction. However, the problems caused by friction still exist. Others use ball bearing type mounts for the piston member to reduce friction, such as the mounts shown in U.S. Patent No. 4,525,695. While this approach is helpful, the design of the mounts still introduces an undesirable amount of friction. This is particularly true because, despite the presence of the ball bearing type mounts, the movable member is subject to sliding friction at one point on each ball bearing.
Somit besteht Bedarf an einer magnetischen Stellvorrichtung, mit der weniger Reibung erzeugt wird, weniger Energie erforderlich ist und eine genauere Steuerung erreicht wird.Therefore, there is a need for a magnetic actuator that generates less friction, requires less energy, and achieves more precise control.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Stellvorrichtung bereitgestellt, umfassend:According to the present invention there is provided a magnetic actuator comprising:
ein rohrförmiges Gehäuse mit einer Innenwand, die einen inneren Hohlraum begrenzt;a tubular housing having an inner wall defining an internal cavity;
eine Magnetspule im Bereich des Rohres, die dieses umgibt und als Reaktion auf die elektrische Erregung der Spule in dem Rohr ein Magnetfeld erzeugt; unda magnetic coil in the region of the tube, surrounding the tube and generating a magnetic field in the tube in response to electrical excitation of the coil; and
einen zur Bewegung in Längsrichtung in dem Rohr befestigten Kolben, wobei der Kolben aus magnetischem Material ist und als Reaktion auf das von der Spule erzeugte Magnetfeld in Längsrichtung in dem Rohr bewegbar ist;a piston mounted for longitudinal movement within the tube, the piston being made of magnetic material and being longitudinally movable within the tube in response to the magnetic field generated by the coil;
eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Schlitzen in der Außenseite des Kolbens;a plurality of longitudinal slots in the outside of the piston;
eine Vielzahl von rollfähigen Körpern, die in den Schlitzen vorgesehen und in diesen beweglich sind, wobei die rollfähigen Körper in stützendem Kontakt mit dem Kolben und dem rohrförmigen Gehäuse stehen; unda plurality of rollable bodies provided in and movable within the slots, the rollable bodies being in supporting contact with the piston and the tubular housing; and
eine Einrichtung zum Festhalten der Vielzahl von rollfähigen Körpern in den Schlitzen, wobei die Festhalteeinrichtung eine Vielzahl von in den Schlitzen angeordneten Rungen umfaßt und der Lauf der rollfähigen Körper auf Bahnen beschränkt wird, die zwischen den Rungen verlaufen.a device for retaining the plurality of rollable bodies in the slots, the retaining device comprising a plurality of stanchions arranged in the slots and the travel of the rollable bodies being restricted to paths that run between the stanchions.
Vorteilhafterweise wird mit der vorliegenden Erfindung eine magnetische Stellvorrichtung bereitgestellt, die ein bewegli ches Kolbenelement mit vermindertem Bewegungswiderstand umfaßt.Advantageously, the present invention provides a magnetic actuator which has a movable piston element with reduced resistance to movement.
Des weiteren wird mit der vorliegenden Erfindung eine magnetische Stellvorrichtung bereitgestellt, die weniger Energie zum Bewegen des Kolbenelements erfordert.Furthermore, the present invention provides a magnetic actuator that requires less energy to move the piston element.
Des weiteren wird mit der vorliegenden Erfindung eine magnetische Stellvorrichtung bereitgestellt, die eine genauere Positionierung des Kolbenelements ermöglicht und die Hysterese vermindert.Furthermore, the present invention provides a magnetic actuator that enables more precise positioning of the piston element and reduces hysteresis.
Vorteilhafterweise wird mit der vorliegenden Erfindung ein magnetisch betätigtes Ventil bereitgestellt, das eine Stellvorrichtung aufweist, die weniger Energie erfordert, und mit der eine genauere Steuerung erreicht wird.Advantageously, the present invention provides a magnetically actuated valve having an actuator that requires less energy and achieves more precise control.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.Further advantages of the present invention will become apparent from the following description and the appended claims.
Die obengenannten Vorteile werden bei der bevorzugten Ausführungsform durch ein Ventil veranschaulicht, das einen Körper mit einem Fluideinlaß und einem Fluidauslaß aufweist. In dem Körper kann ein bewegliches Steuerelement zur Steuerung des Fluidstroms von dem Einlaß zu dem Auslaß positioniert sein. Das Steuerelement kann einen beweglichen Abschnitt aufweisen, der in einer ersten linearen Richtung beweglich ist, um den Strom durch das Steuerelement hindurch freizugeben. Eine Feder kann den beweglichen Abschnitt des Steuerelements in Richtung zu einem Nichtströmungszustand vorspannen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Steuerelement in eine Vollströmungs- oder eine mittlere Strömungsposition vorgespannt werden.The above advantages are illustrated in the preferred embodiment by a valve having a body with a fluid inlet and a fluid outlet. A movable control element may be positioned in the body for controlling the flow of fluid from the inlet to the outlet. The control element may have a movable portion movable in a first linear direction to release flow through the control element. A spring may bias the movable portion of the control element toward a non-flow state. In other embodiments, the control element may be biased to a full-flow or medium-flow position.
An dem Ventil kann eine magnetische Stellvorrichtung angebracht sein. Die Stellvorrichtung kann ein rohrförmiges Gehäuse mit einer zylindrischen Innenwand aufweisen, die einen inneren Hohlraum begrenzt. Eine elektromagnetische Spule kann um das rohrförmige Gehäuse herum positioniert sein.A magnetic actuator may be attached to the valve. The actuator may comprise a tubular housing with a cylindrical inner wall defining an internal cavity. An electromagnetic coil may be positioned around the tubular housing.
Ein aus magnetischem Material bestehender Kolben kann in dem Kolbenrohr beweglich angeordnet sein. Der Kolben kann in dem Rohr in einer Richtung beweglich sein, die kollinear zu dem beweglichen Abschnitt des Steuerelements verläuft. Der Kolben kann eine im allgemeinen zylindrische Außenseite aufweisen, die sich sehr nahe an der Innenwand des Gehäuses befindet. Über die Außenseite des Kolbens können vier gleich voneinander beabstandete, sich in Längsrichtung erstreckende Schlitze verlaufen. Jeder der Schlitze kann im allgemeinen U-förmig sein, wobei sich nach innen verjüngende Abschnitte im Bereich einer offenen Seite des Schlitzes vorhanden sind.A piston made of magnetic material may be movably disposed in the piston tube. The piston may be movable in the tube in a direction collinear with the movable portion of the control element. The piston may have a generally cylindrical outer surface located very close to the inner wall of the housing. Four equally spaced longitudinally extending slots may extend across the outer surface of the piston. Each of the slots may be generally U-shaped with inwardly tapering portions in the region of an open side of the slot.
Zwei Rollenlager, die als rollfähige Körper dienen, können in jedem in Längsrichtung verlaufenden Schlitz untergebracht sein. Eine Kugel kann im Bereich eines jeden Endes des Schlitzes angeordnet sein und auf einer Bahn darin beweglich sein. Mit Rungen versehene Bereiche der Schlitze begrenzen vorzugsweise den Lauf jeder Kugel auf einer Bahn. Die Kugeln können so bemessen sein, daß ein Abschnitt jeder Kugel aus der offenen Seite des Schlitzes nach außen herausragt.Two roller bearings serving as rolling bodies may be housed in each longitudinal slot. A ball may be located in the region of each end of the slot and may be movable on a track therein. Stanched regions of the slots preferably limit the travel of each ball on a track. The balls may be sized so that a portion of each ball projects outwardly from the open side of the slot.
Der Kolben kann in dem rohrförmigen Gehäuse eingebaut sein und ist bei der bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise über dem Steuerelement des Ventils positioniert. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, kann sich der Kolben gegen den beweglichen Abschnitt des Steuerelements bewegen und die Feder überwinden, die den beweglichen Abschnitt in Richtung zu der geschlossenen Position vorspannt. Das Ausmaß, in dem der Kolben den beweglichen Abschnitt des Steuerelements bewegt, bestimmt den Durchsatz des Fluids durch das Ventil.The piston may be incorporated into the tubular housing and in the preferred embodiment is preferably positioned over the control element of the valve. When an electric current flows through the coil, the piston may move against the movable portion of the control element and overcome the spring biasing the movable portion towards the closed position. The extent to which the piston moves the movable portion of the control element determines the flow rate of fluid through the valve.
Ebenso kann, wenn der Stromfluß durch die Spule vermindert wird, die Vorspanneinrichtung des Steuerelements den Kolben bewegen und den Strom durch das Ventil absperren.Likewise, if the current flow through the coil is reduced, the biasing device of the control element can move the piston and shut off the current through the valve.
Der Reibungswiderstand gegen die Bewegung des Kolbens wird vermindert, weil die Kugeln in Kontakt mit den Seiten der Schlitze und mit der Innenwand des rohrförmigen Gehäuses rollen können. Dadurch wird die Gleitreibung vermindert, und die Bewegung des Kolbens wird mit weniger Elektroenergie möglich. Durch die erfindungsgemäße Stellvorrichtung wird auch eine genauere und wiederholbare Positionierung des Kolbens in magnetischen Proportionalstellvorrichtungen möglich.The frictional resistance to the movement of the piston is reduced because the balls can roll in contact with the sides of the slots and with the inner wall of the tubular housing. This reduces the sliding friction and the movement of the piston is possible with less electrical energy. The actuating device according to the invention also enables more precise and repeatable positioning of the piston in magnetic proportional actuating devices.
Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei Zweistellungs- als auch bei Proportionalventilen mit Erfolg verwendet werden. Die Erfindung ist auch für Ventile geeignet, die normalerweise geöffnet oder normalerweise geschlossen sein sollen.The present invention can be used successfully with both two-position and proportional valves. The invention is also suitable for valves that are intended to be normally open or normally closed.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich als Beispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:Embodiments of the invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines magnetisch betätigten Ventils, in dem die bevorzugte Ausführungsform der magnetischen Stellvorrichtung gemäß der Erfindung eingebaut ist;Fig. 1 is a cross-sectional view of a magnetically actuated valve incorporating the preferred embodiment of the magnetic actuator according to the invention;
Fig. 2 eine isometrische Ansicht des Kolbens und der rollfähigen Körper der magnetischen Stellvorrichtung;Fig. 2 is an isometric view of the piston and the rolling bodies of the magnetic actuator;
Fig. 3 eine Seitenansicht der Anordnung aus Kolben und rollfähigen Körpern;Fig. 3 is a side view of the arrangement of pistons and rolling bodies;
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Anordnung aus Kolben und rollfähigen Körpern gemäß Fig. 3;Fig. 4 is a plan view of the arrangement of pistons and rolling bodies according to Fig. 3;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht längs der Linie 5-5 von Fig. 3;Fig. 5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 of Fig. 3;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht längs der Linie 6-6 von Fig. 3.Fig. 6 is a cross-sectional view taken along line 6-6 of Fig. 3.
In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichnetes, magnetisch betätigtes Ventil dargestellt. Das Ventil besitzt einen Körper 12. Der Körper umfaßt einen Einlaß 14 und einen Auslaß 16. Der Ventilkörper umfaßt des weiteren eine innere Kammer 18, die in Fluidverbindung mit dem Einlaß und dem Auslaß steht. In der Kammer 18 ist ein Steuerelement 20 positioniert und steuert den Fluidstrom von dem Einlaß zu dem Auslaß des Ventils. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Ventils besitzt das Steuerelement 20 einen beweglichen Abschnitt 21, der von einer Feder 22 nach oben vorgespannt wird, wie in Fig. 1 gezeigt.Referring to the drawings and particularly to Fig. 1, there is shown a solenoid operated valve generally designated 10. The valve has a body 12. The body includes an inlet 14 and an outlet 16. The valve body further includes an interior chamber 18 in fluid communication with the inlet and outlet. A control element 20 is positioned within the chamber 18 and controls the flow of fluid from the inlet to the outlet of the valve. In the preferred embodiment of the valve, the control element 20 has a movable portion 21 which is biased upwardly by a spring 22 as shown in Fig. 1.
Das Steuerelement 20 ist so konfiguriert, daß der Strom durch das Ventil verhindert wird, wenn der bewegliche Abschnitt 21 ganz oben positioniert ist, wie in Fig. 1 gezeigt. Wird der bewegliche Abschnitt 21 gegen die Kraft der Feder 22 in Richtung nach unten bewegt, kann Fluid von dem Einlaß zu dem Auslaß des Ventils strömen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das in Fig. 1 gezeigte Ventil verwendet, um den Strom eines Kühlmittels durch das Ventil hindurch zu steuern. Natürlich kann bei anderen Ausführungsformen der Erfindung der Strom von anderen Arten eines Fluids gesteuert werden, oder es können andere Arten von Steuerelementen verwendet werden. Die Erfindung ist gleichermaßen gut geeignet zur Verwendung bei Proportionalventilen und bei Zweistellungsventilen sowie bei Ventilen, die normalerweise geöffnet oder normalerweise geschlossen sind.The control element 20 is configured to prevent flow through the valve when the movable section 21 is positioned at the top as shown in Fig. 1. When the movable section 21 is moved downward against the force of the spring 22, fluid can flow from the inlet to the outlet of the valve. In the preferred embodiment, the valve shown in Fig. 1 is used to control the flow of a coolant through the valve. Of course, in other embodiments of the invention, the flow of other types of fluid can be controlled, or other types of control elements can be used. The invention is equally well suited for use with proportional valves and two-position valves, as well as with valves that are normally open or normally closed.
Eine magnetische Stellvorrichtung 24 ist an dem Körper 12 fest angebracht. Die Stellvorrichtung 24 umfaßt ein zylindri sches rohrförmiges Gehäuse 26, das an seinem oberen Ende 28 geschlossen ist. Das offene untere Ende des rohrförmigen Gehäuses umfaßt einen nach außen ragenden Flanschabschnitt 30. Der Flanschabschnitt 30 sitzt eingelassen in einer Ausnehmung in dem Körper 12. Unter dem Flanschabschnitt 30 ist eine Dichtung 32 positioniert und dient dazu, das rohrförmige Gehäuse 26 in bezug auf die Kammer 18 abgedichtet zu halten. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das rohrförmige Gehäuse 26 aus nichtmagnetischem Material.A magnetic actuator 24 is fixedly attached to the body 12. The actuator 24 comprises a cylindrical tubular housing 26 which is closed at its upper end 28. The open lower end of the tubular housing includes an outwardly projecting flange portion 30. The flange portion 30 is seated in a recess in the body 12. A gasket 32 is positioned beneath the flange portion 30 and serves to keep the tubular housing 26 sealed with respect to the chamber 18. In the preferred embodiment of the invention, the tubular housing 26 is made of non-magnetic material.
Die Stellvorrichtung 24 umfaßt des weiteren eine Spule 34, die in einem Rahmen 36 gelagert ist. Die Spule 34 wird nach innen durch ein Hülsenelement 38 begrenzt, das sich zum oberen Ende des rohrförmigen Gehäuses 26 erstreckt. Die Spule 34 umgibt das rohrförmige Gehäuse 26. Eine Durchflußscheibe 40 ist unter dem Rahmen 36 in der Ausnehmung in dem Körper 12 über dem Flanschabschnitt 30 positioniert. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Rahmen 36, das Hülsenelement 38 und die Durchflußscheibe 40 aus magnetischem Material.The actuator 24 further includes a coil 34 which is supported in a frame 36. The coil 34 is inwardly bounded by a sleeve member 38 which extends to the upper end of the tubular housing 26. The coil 34 surrounds the tubular housing 26. A flow disk 40 is positioned below the frame 36 in the recess in the body 12 above the flange portion 30. In the preferred embodiment of the invention, the frame 36, the sleeve member 38 and the flow disk 40 are made of magnetic material.
In dem rohrförmigen Gehäuse 26 ist ein Kolben 42 positioniert. Wie in Fig. 2 bis 6 gezeigt, hat der Kolben 42 einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt und besitzt eine zylindrische Außenseite 44. Die Außenseite 44 ist so dimensioniert, daß sie etwas von der zylindrischen Innenwand 46 beabstandet ist, die einen inneren Hohlraum 48 in dem rohrförmigen Gehäuse 26 begrenzt. Der Kolben 42 ist in Längsrichtung in dem rohrförmigen Gehäuse 26 beweglich, und das untere Ende des Kolbens 42 steht, wie in Fig. 1 gezeigt, in Anstoßkontakt mit dem beweglichen Abschnitt 21 des Steuerelements 20.A piston 42 is positioned within the tubular housing 26. As shown in Figs. 2 to 6, the piston 42 has a generally circular cross-section and has a cylindrical outer surface 44. The outer surface 44 is dimensioned to be slightly spaced from the cylindrical inner wall 46 which defines an interior cavity 48 within the tubular housing 26. The piston 42 is longitudinally movable within the tubular housing 26 and the lower end of the piston 42 is in abutting contact with the movable portion 21 of the control member 20 as shown in Fig. 1.
Die Außenseite 44 des Kolbens 42 umfaßt vier gleich voneinander beabstandete, in Längsrichtung verlaufende Schlitze 50. Im Querschnitt besitzen die Schlitze 50 eine geschlossene Seite 52 und eine offene Seite 54. Die Schlitze 50 sind des weiteren im Querschnitt durch Seitenwände 56 begrenzt (siehe Fig. 5).The outer side 44 of the piston 42 comprises four equally spaced longitudinal slots 50. In cross section, the slots 50 have a closed side 52 and an open side 54. The slots 50 are further limited in cross-section by side walls 56 (see Fig. 5).
Kugeln 58, die als rollfähige Körper dienen, sind in Schlitzen 50 im Bereich eines jeden Endes des Kolbens 42 angebracht. Die Kugeln 58 sind so dimensioniert, daß sie aus der offenen Seite 54 der Schlitze herausragen. Sich nach innen verjüngende Abschnitte 60 der Seitenwände 56 verhindern, daß sich die Kugeln 58 aus den Schlitzen 50 herausbewegen. Die Kugeln 58 sind so dimensioniert, daß die Kugeln 58 dann, wenn der Kolben 42 im inneren Hohlraum 48 des rohrförmigen Gehäuses 36 positioniert ist, in Kontakt mit der Innenwand 46 des rohrförmigen Gehäuses stehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Kolben 42 aus magnetischem Material, und die Kugeln 58 bestehen aus nichtmagnetischem Material.Balls 58, which serve as rolling bodies, are mounted in slots 50 in the area of each end of the piston 42. The balls 58 are sized to protrude from the open side 54 of the slots. Inwardly tapered portions 60 of the side walls 56 prevent the balls 58 from moving out of the slots 50. The balls 58 are sized so that when the piston 42 is positioned in the interior cavity 48 of the tubular housing 36, the balls 58 are in contact with the interior wall 46 of the tubular housing. In the preferred embodiment of the invention, the piston 42 is made of magnetic material and the balls 58 are made of non-magnetic material.
Die Schlitze 50 in dem Kolben 42 umfassen mit Rungen versehene Bereiche 62. Die mit Rungen versehenen Bereiche 62 dienen zur Begrenzung des Laufs der Kugeln 58 auf Bahnen 64, die zwischen den mit Rungen versehenen Bereichen verlaufen. Die mit Rungen versehenen Bereiche verhindern, daß die Kugeln 58 aus den Schlitzen 50 fallen, wenn der Kolben eingebaut oder aus dem Innern des rohrförmigen Gehäuses 26 herausgenommen wird. Die mit Rungen versehenen Bereiche gewährleisten auch, daß die Kugeln so in den Schlitzen positioniert werden, daß der Kolben 42 nicht in Schräglage kommen, kippen oder sich in anderer Weise bewegen kann, so daß seine Außenseite 44 in Kontakt mit der Innenwand 46 des rohrförmigen Gehäuses kommt.The slots 50 in the piston 42 include stanchion areas 62. The stanchion areas 62 serve to restrict the travel of the balls 58 on tracks 64 extending between the stanchion areas. The stanchion areas prevent the balls 58 from falling out of the slots 50 when the piston is installed or removed from the interior of the tubular housing 26. The stanchion areas also ensure that the balls are positioned in the slots so that the piston 42 cannot tilt, tip or otherwise move so that its outer surface 44 comes into contact with the inner wall 46 of the tubular housing.
Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung vier gleich voneinander beabstandete Schlitze aufweist, können andere Ausführungsformen der Erfindung drei Schlitze aufweisen. Weitere alternative Ausführungsformen können mehr als vier Schlitze aufweisen. Solche Ausführungsformen würden befriedigend funktionieren, solange die rollfähigen Körper den Kontakt zwischen der Wand des Kolbens und seinem Gehäuse vermindern und vorzugsweise verhindern.Although the preferred embodiment of the actuator according to the invention has four equally spaced slots, other embodiments of the invention may have three slots. Other alternative embodiments may have more than four slots. Such embodiments would function satisfactorily as long as the rolling bodies reduce and preferably prevent contact between the wall of the piston and its housing.
Wenn die Stellvorrichtung und das Ventil in Betrieb sind, wird elektrischer Strom durch die Spule 34 geführt, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Die Magnetkraft bewirkt, daß sich der Kolben 42 proportional zur Stärke des Feldes nach unten bewegt. Der Kolben überwindet mit seiner Kraft die entgegenwirkende Kraft der Feder 22 und bewegt den beweglichen Abschnitt 21 des Steuerelements. Wenn sich der bewegliche Abschnitt 21 nach unten bewegt, kann ein Strom durch das Ventil von dem Einlaß zu dem Auslaß fließen. Das Ausmaß des Fluidstroms durch das Ventil ist proportional zur Verdrängung des beweglichen Abschnitts 21 des Steuerelements durch den Kolben. Wird der durch die Spule 34 fließende Strom vermindert, wird die Magnetkraft an dem Kolben 42 vermindert, und die Feder 22 kann das Steuerelement in Richtung zu der geschlossenen Position bewegen.When the actuator and valve are operating, electric current is passed through the coil 34 to create an electromagnetic field. The magnetic force causes the piston 42 to move downward in proportion to the strength of the field. The piston's force overcomes the opposing force of the spring 22 and moves the movable portion 21 of the control element. As the movable portion 21 moves downward, a current can flow through the valve from the inlet to the outlet. The amount of fluid flow through the valve is proportional to the displacement of the movable portion 21 of the control element by the piston. When the current flowing through the coil 34 is reduced, the magnetic force on the piston 42 is reduced, and the spring 22 can move the control element toward the closed position.
Ein grundlegender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sich der Kolben mit geringerer Reibung bewegen kann. Das ist erreichbar, weil die Kugeln 58 an der Innenwand 46 und am Boden der Schlitze rollen, wenn sich der Kolben bewegt. Dadurch wird die Gleitreibung vermindert.A fundamental advantage of the present invention is that the piston can move with less friction. This is achievable because the balls 58 roll on the inner wall 46 and the bottom of the slots as the piston moves. This reduces sliding friction.
Durch die mit der vorliegenden Erfindung erzielbare beachtliche Verminderung der Gleitreibung wird die Kraftmenge reduziert, die erforderlich ist, um den Kolben zum Öffnen und zum Schließen des Ventils zu bewegen. Dieses Merkmal ist sowohl bei Proportionalstellvorrichtungen als auch bei Zweipunktstellvorrichtungen von großem Wert. Dadurch kann eine Proportionalstellvorrichtung auch den Kolben genauer positionieren, weil sich der Kolben als Reaktion auf einen vorgegebenen, durch die Spule angelegten Steuerstrom in die gleiche Position bewegt (und auf diese Weise ein Ventil in dem gleichen Ma ße öffnet). Durch die geringere Reibung wird das Steuervermögen der Stellvorrichtung stark verbessert, und die Hysterese wird reduziert.The significant reduction in sliding friction achieved by the present invention reduces the amount of force required to move the piston to open and close the valve. This feature is of great value in both proportional and two-position actuators. It also allows a proportional actuator to position the piston more accurately because the piston will move to the same position (and thus operate a valve to the same extent) in response to a given control current applied through the coil. Due to the lower friction, the control capability of the actuator is greatly improved and the hysteresis is reduced.
Somit veranschaulichen die eine geringe Reibung aufweisende magnetische Stellvorrichtung und das Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung die oben dargelegten Vorteile, vermindern die beim Gebrauch der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten, lösen die Probleme und können die hier beschriebenen gewünschten Ergebnisse erzielen.Thus, the low friction magnetic actuator and valve of the present invention demonstrate the advantages set forth above, reduce the difficulties encountered in using the prior art devices, solve the problems, and can achieve the desired results described herein.
Es versteht sich natürlich, daß die vorliegende Erfindung oben nur beispielhaft beschrieben ist und daß Modifikationen im Rahmen der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden können.It is to be understood, of course, that the present invention has been described above by way of example only and that modifications may be made within the scope of the appended claims.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |